TWI754449B - 低溫潛熱式水萃植物精華之方法與設備 - Google Patents

Abstract

本發明係提供一種低溫潛熱式水萃植物精華之方法與設備，係將預萃取之植物置於一原料槽內並添加水於植物之底側，再將水加熱，當水溫上升至預定溫度後，以真空泵浦將該原料槽內之空氣抽出使壓力下降，當該原料槽內之壓力下降至預定值時，水會急速氣化形成水蒸氣，植物細胞壁內膨脹的水蒸氣會產生破壁作用，並快速將精華成分帶出，在細胞內水分完全蒸發後關閉真空泵浦，外部壓力使水分子侵入植物細胞、在植物細胞中填充水，此時重新進行加熱動作當水溫上升至預定溫度時重複若干次前述步驟，用以不斷地在植物細胞中填充水，最終大量的水在植物細胞內汽化時，可使植物細胞膨脹爆裂，將植物細胞內的精華成分帶出，繼而將水與植物精華混合之蒸氣利用一冷凝單元予以迅速降溫，最後將植物精華收集於一收集槽。

Description

低溫潛熱式水萃植物精華之方法與設備

本發明係與水萃法有關，更詳而言之是指一種低溫潛熱式水萃植物精油之方法與設備者。

按，水萃法(或稱水蒸氣蒸餾法)係習知常用以萃取植物精油之方法，主要是加熱使水沸騰後，利用高溫水蒸氣進行植物精油之萃取，再以冷凝方式凝結混合植物精油與水之蒸氣，進而可取得植物精油。

雖然水萃法的應用甚多，不過，其有以下之缺點：首先，高溫水蒸氣經由管路進入萃取槽時，易於管路輸送過程中損失熱量、降溫，甚至凝結，導致萃取效果不佳。其次，以高溫水蒸氣萃取植物精油，易破壞某些不耐高溫的精油成份或有機物。另一方面，大部分的水蒸氣是流經細胞外側，僅有極少部分能進入細胞內，因此，其質量傳遞作用差，萃取效率也不佳。再者，若萃取裝置的隔熱效果不佳，易於萃取作業過程中發生操作人員不慎燙傷的缺點。

為了解決前述習知水萃法之缺點，乃有業者研發出低溫萃取植物精油之相關技術與設備，如中華民國新型第M408403號「精油萃取裝置」等專利所示，大多係可以較 低之溫度、壓力(低於大氣壓力)條件使水沸騰，俾利用較低溫之水蒸氣與原料混合，進行植物精油之萃取。此等方式可解決高溫水蒸氣萃取植物精油所造成不耐高溫精油成份被破壞的缺點，惟，持續加熱水仍甚為耗能，且無法解決質量傳遞效率差的問題。

緣是，本案發明人乃基於多年從事萃取技術相關領域之研發經驗，針對前述缺失進行深入探討，歷經長時間的研究與測試，終於完成本發明。

本發明之主要目的即在提供一種低溫潛熱式水萃植物精華之方法與設備，其可避免破壞植物精華中的熱敏感物質、有機物，提升植物精華之萃取品質與萃取率，且利用水之相變化產生的體積膨脹，進行細胞的破壁，並改變原來傳統擴散作用成為對流作用，不僅萃取效率高，且不需持續加熱，可節省能源，甚具經濟價值者。

緣是，為達成前述之目的，本發明係提供一種低溫潛熱式水萃植物精華之方法，係至少包含以下步驟：備取原料：將植物置於一原料槽內並添加水於植物之底側；相變化：將水加熱，當水溫上升至預定溫度後，立即將該原料槽內之空氣抽出使壓力下降，當該原料槽內之壓力下降至預定值時，水會急速氣化形成水蒸氣，植物細胞壁內膨脹的水蒸氣會產生破壁作用，並快速將精華成分帶出，在細胞內水 分完全蒸發後關閉真空泵浦，外部壓力使水分子可侵入植物細胞、在植物細胞中填充水，此時重新進行加熱動作；重複相變化：重複若干次相變化之步驟，用以不斷地在植物細胞中填充水和汽化，此種巨大體積的變化將可快速將植物細胞內的精華成分帶出；冷凝：將水與植物精華混合之蒸氣予以迅速降溫；收集：收集所有凝結之植物精華與水。

進一步地，該植物例如澳洲茶樹枝葉。

進一步地，相變化之步驟中，該預定溫度係攝氏50℃至85℃之間，該預定壓力係約1大氣壓至120mbar之間。

進一步地，冷凝之步驟中，係包含一第一階段冷凝與一第二階段冷凝，該第一階段冷凝係用以將水與植物精華混合之蒸氣迅速凝結成液體，該第二階段冷凝係用以確保所有水與植物精華混合之蒸氣均可凝結成液體。

進一步地，該第一階段冷凝係利用冷水凝結水與植物精華混合之蒸氣，該第二階段冷凝係利用冰水進一步凝結植物精華與水等所有流體。

此外，本發明更提供一種低溫水萃植物精華設備，包含有一原料槽，供容納水及欲萃取精華之植物，包含一萃取籃，架設於該原料槽內，其底部並與該原料槽底側相隔適當距離，供容納植物，水係容納於該萃取籃底側，一加熱器，設於該原料槽內並對應水；一冷凝單元，包含一第一 冷凝管與一第二冷凝管，用以供凝結自該原料槽輸出之水與植物精華混合蒸氣，該第一冷凝管係連接原料槽；一收集槽，連接該第二冷凝管，供收集凝結之植物精華與水；一真空幫浦，連接該收集槽，係可抽氣以對於該原料槽、冷凝單元及收集槽構成之密封管路形成足夠的負壓，用以使該原料槽內之水可降低沸點、於適當壓力瞬間氣化、供萃取植物之精華；一控制單元，電性連接該加熱器與真空幫浦，用以控制該加熱器與真空幫浦之運作，使該原料槽內的水可重複進行相變化。

進一步地，該原料槽係包含一槽體與蓋設於槽體頂端之一槽蓋，該萃取籃與加熱器係設於槽體內。

進一步地，更包含有一補水裝置，連接該槽體，用以隨時補充水至該槽體、維持槽體內之水位。

進一步地，更包含有一升降裝置，連接該槽蓋與控制單元，用以可控制該槽蓋之升降，便於該原料槽置放植物並使槽蓋密封槽體。

進一步地，該第一冷凝管係利用冷水凝結自原料槽輸出之水與植物精華混合蒸氣，該第二冷凝管係利用冰水進一步凝結植物精華與水等所有流體。

110:備取原料

120:相變化

130:重複相變化

140:冷凝

150:收集

10:低溫潛熱式水萃植物精華設備

12:原料槽

13:冷凝單元

14:收集槽

15:真空幫浦

16:控制單元

17:升降裝置

22:槽體

24:槽蓋

26:萃取籃

28:加熱器

32:第一冷凝管

34:第二冷凝管

第一圖係本發明一較佳實施例方法之流程圖。

第二圖係本發明一較佳實施例設備之立體示意圖。

第三圖係本發明一較佳實施例設備之前視示意圖。

第四圖係本發明一較佳實施例方法使水不斷填入萃取物之植物細胞中使植物細胞充滿水分，在急速降壓時因相變化產生大量蒸氣，將精油成分帶出之過程示意圖。

首先，請參閱第一圖至第三圖所示，本發明一較佳實施例低溫潛熱式水萃植物精華之方法，其第一步驟係備取原料110：將適量之植物置於一低溫潛熱式水萃植物精華設備10之一原料槽12內並添加水於植物之底側，該低溫潛熱式水萃植物精華設備10，係包含有該原料槽12、一冷凝單元13、一收集槽14、一真空幫浦15及一控制單元16。

該原料槽12，供容納植物與水，包含一槽體22、一槽蓋24、一萃取籃26、一加熱器28與一補水裝置(圖中未示)。該槽體22容量約100公升，該槽蓋24係可開啟地蓋設於槽體22頂端，該萃取籃26係架設於槽體22內，其底部並與該槽體22底側相隔適當距離(例如於槽體22底側上方預定高度之壁面設置數個支撐件即可支撐萃取籃26)，可供容納植物，例如香草類植物或柑橘類植物(如檸檬等)等，本發明係以香草類植物中澳洲茶樹枝葉為例，該萃取籃26下方與槽體22底側之間的空間則供容納水，使水不接觸該萃取籃26內之植物。該加熱器28係設於槽體22內而可直接對水加熱。該 補水裝置係連接槽體22，用以可隨時補充水至該槽體22內以維持水位，其可包含習知水位感測器與抽水馬達或水幫浦等構件，水位感測器係設於該萃取籃26底側之槽體22內壁適當位置，當水位感測器偵測到水位下降時可促使抽水馬達或水幫浦運作，俾補充水至該槽體22內。

該冷凝單元13，係供凝結自該原料槽12輸出之水與植物精油混合蒸氣，具有一第一冷凝管32與一第二冷凝管34。該第一、第二冷凝管32、34係習知連接冷卻水以凝結蒸氣之冷凝管，此處不予贅述其詳細構造，該第一冷凝管32係連接槽蓋24，利用冷水凝結自該原料槽12輸出之水與植物精華混合蒸氣，該第二冷凝管34係利用冰水進一步凝結植物精華與水等所有流體。

該收集槽14，係連接該第二冷凝管34，供收集凝結之植物精華與水。

該真空幫浦15，連接該收集槽14，係可抽氣以對於該原料槽12、冷凝單元13及收集槽14構成之密封管路形成足夠的負壓，用以使該原料槽12內之水可降低沸點、於適當壓力瞬間氣化、供萃取植物精華。

該控制單元16，係電性連接該加熱器28與真空幫浦15，內建溫度與壓力的控制程式，用以控制該加熱器28與真空幫浦15之運作，使該原料槽12內的水可重複進行相變化。

此外，該低溫潛熱式水萃植物精華設備10更包含有一升降裝置17，係連接該槽蓋24與控制單元16，以習知導柱、螺桿與馬達等元件所組成，導柱係連接螺桿與該槽蓋24，馬達可驅動螺桿正、反轉以控制該槽蓋24沿導柱升降並精確定位，用以可受該控制單元16驅動而控制槽蓋24之升降，便於該原料槽置放植物並使槽蓋密封槽體。

本發明之第二步驟係相變化120：係啟動該加熱器28，將該原料槽12內之水自室溫(攝氏20℃至25℃)開始加熱，當水溫上升至預定溫度(攝氏50℃至85℃之間，例如85℃)後，立即啟動該真空幫浦15，將該原料槽12內之空氣抽出使壓力下降，使水沸點降低，當該原料槽12內之壓力下降至預定值(約120mbar)時，水會瞬間急速氣化而形成水蒸氣，在細胞內的水分子因相變化而汽化膨脹，可同時進行破壁和將精華成分帶出的動作，在細胞內的水分子耗盡時，槽體內溫度因相變化帶走大量的熱而降低至攝氏50℃至60℃，此時，關閉真空幫浦15，使槽體內壓力回復至1大氣壓，並重新開始進行加熱器28之加熱，重新使水分子侵入澳洲茶樹枝葉之細胞、在植物細胞中填充水，再進行以下步驟：

本發明之第三步驟係重複相變化130：重複該相變化120之步驟複數次，用以不斷地在澳洲茶樹枝葉之細胞中填充水，當澳洲茶樹枝葉之細胞充填適量之水(水蒸氣體積是同重量水的800倍)，大量的水在植物細胞內瞬間汽化， 使氣體壓力大於細胞膜之強度時，植物細胞即會爆裂，進而將澳洲茶樹枝葉之精華成分噴發帶出，如第圖所示，該等植物精華係包含精油、醇露與水萃物。

本發明之第四步驟係冷凝140：利用該冷凝單元13之第一、第二冷凝管32、34將受負壓自原料槽12抽出之水與植物精華混合蒸氣迅速降溫、確實凝結成液體。詳言之，當巨量的水與植物精華混合蒸氣進入第一冷凝管32時，該第一冷凝管32內的冷卻水可迅速將蒸氣凝結成液體，相變化的大量熱量則由冷卻水帶至熱交換器，利用風扇將溫度較高的冷卻水熱量帶走(此為習知，圖中未示)，而降溫後的萃取液再進入該第二冷凝管34後，更可藉由冰水之冷凝，確保所有揮發性的成分都可以被凝結收集。

本發明之最後步驟係收集150：係利用該真空幫浦15之持續抽氣使收集槽14收集所有凝結之植物精華與水。

基此，即可獲致植物精油，至於植物精華與水之分離乃屬習知技術，此處不予贅述。

由上可知，本發明該低溫潛熱式水萃植物精華之方法，主要是先將該原料槽內之水加熱至一預定溫度時(50℃至85℃之間)，啟動該真空幫浦15使原料槽12內壓力下降，當壓力下降至此溫度的水沸騰所需的壓力時，水即會急速汽化形成水蒸氣、產生相變化，意即，藉由降壓使水的沸點降低(低於1大氣壓下的沸點溫度100℃)，而水蒸氣可 進行植物細胞的破壁和帶出精油成分，再配合利用多次、反覆的相變化，可不斷地使水填入萃取物之植物細胞中，使植物細胞充滿水分而膨脹破裂，其過程如第四圖所示，當植物細胞膨脹至水瞬間汽化之壓力大於細胞膜之強度時，即可造成植物細胞破裂，藉此可迅速地將細胞內的精華成分帶出，此方式可稱之為潛熱式水萃。

換言之，本發明可在低溫情況下萃取植物精華，有別於傳統水萃法使用約100℃的萃取溫度，降低的萃取溫度可避免破壞植物精華中的熱敏感物質、有機物，提升植物精華之萃取品質與萃取率，藉以改善傳統水萃法所造成植物中有機物等物質被破壞，細胞內水分子汽化造成的噴發對流作用，效果遠大於傳統的擴散作用，改善水萃效果不佳之缺點。

其次，傳統水萃法係將水加熱至沸點以利用水蒸氣進行萃取之動作，不僅相變化之過程較為緩慢，且需持續加熱維持相變化之進行，耗費之能源不少，本發明利用快速之降壓，以降低水之沸點、使相變化快速產生，不但萃取效率可大幅提升，且間歇性之加熱、抽氣，可節省能源，甚具經濟價值。

雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中包括通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤 飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定 者為準。

110:備取原料

120:相變化

130:重複相變化

140:冷凝

150:收集

Claims (5)

1. 一種低溫潛熱式水萃植物精華之方法，係至少包含以下步驟：備取原料：將植物置於一原料槽內並添加水於植物之底側；相變化：將水加熱，當水溫上升至預定溫度後，立即將該原料槽內之空氣抽出使壓力下降，當該原料槽內之壓力下降至預定值時，水會急速氣化形成水蒸氣，使水分子汽化而脹破植物細胞壁，並將細胞內精華成分噴發帶出，關閉真空幫浦，槽體內溫度因相變化而降低，重新加熱在植物細胞中填充水，實施以下步驟；重複相變化：重複若干次相變化之步驟，用以不斷地在植物細胞中填充水和汽化，汽化產生的體積變化同時進行破壁和將精華噴發，可將植物細胞內的精華成分完整且有效率帶出；冷凝：將水與植物精華混合之蒸氣予以迅速降溫；及收集：收集所有凝結之植物精華與水。
2. 如請求項1所述低溫潛熱式水萃植物精華之方法，其中，該植物例如澳洲茶樹枝葉。
3. 如請求項1所述低溫潛熱式水萃植物精華之方法，其中，相變化之步驟中，該預定溫度係攝氏50℃至85℃之間，該預定壓力係約1大氣壓至120mbar之間。
4. 如請求項1所述低溫潛熱式水萃植物精華之方法，其中，冷凝之步驟中，係包含一第一階段冷凝與一第二 階段冷凝，該第一階段冷凝係用以將水與植物精華混合之蒸氣迅速凝結成液體，該第二階段冷凝係用以確保所有水與植物精華混合之蒸氣均可凝結成液體。
5. 如請求項4所述低溫潛熱式水萃植物精華之方法，其中，該第一階段冷凝係利用冷水凝結水與植物精華混合之蒸氣，該第二階段冷凝係利用冰水進一步凝結植物精華與水等所有流體。

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